JP2020517968A - Controlling molecules migrating through nanopores - Google Patents

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    • C12Q2565/631Detection means characterised by use of a special device being a biochannel or pore

Abstract

【要約書】固体状態のナノポアを移動するDNAの速度の不要なばらつきを減らすために、ナノスケールの空洞によって1つの検知ナノポアから分離された超薄ナノ多孔性窒化ケイ素(NPN)膜を使用して、移動する分子をナノスケールで事前に限局することを示す。包括的な実験結果は、このナノフィルターが存在することで、空洞の高さに依存するDNAの大きさの範囲にわたって、検知細孔での通過時間の変動係数全体が最小値になることを示している。このような高度なナノポアデバイスを用いると、その直径と安定性に関係なく、通過時間分布の標準偏差が最小に抑えられる。また、これらの結果は、分子間および分子内での通過時間のばらつきが移動前のそのような分子のコンフォメーションエントロピーに依存することを示す最初の実験的な検証であり、固体状態のナノポアを通る輸送を制御するための実用的な戦略を提供する、Abstract: To reduce unwanted variability in the rate of DNA migrating through solid-state nanopores, we used ultrathin nanoporous silicon nitride (NPN) membranes separated from one sensing nanopore by a nanoscale cavity. Show that the moving molecules are localized in advance at the nanoscale. Comprehensive experimental results show that the presence of this nanofilter minimizes the overall coefficient of variation of transit time in the sensing pore over a range of DNA sizes depending on cavity height. ing. With such sophisticated nanopore devices, the standard deviation of the transit time distribution is minimized, regardless of their diameter and stability. These results are also the first experimental validation showing that inter- and intra-molecular transit time variability depends on the conformational entropy of such molecules before migration, and solid state nanopores Provide a practical strategy for controlling transit through,

Description

関連出願へのクロスリファレンス
本願は2017年4月28日に出願された米国特許仮出願第62/491,572号の優先権の利益を主張するものであり、上記出願の開示内容全体を本願に援用する。
CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims the benefit of priority of US Provisional Application No. 62/491,572, filed April 28, 2017, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference. Incorporate.

本開示は、ナノポアデバイスおよびその製造方法に関する。 The present disclosure relates to a nanopore device and a manufacturing method thereof.

DNAなどのバイオポリマーが単独でナノポアを移動すると、分子輸送のダイナミクスが複雑になる。通過時の速度は、分子の細孔外にある部分のコンフォメーションと割合に依存するだけでなく、細孔壁や膜材料との一時的な相互作用や熱変動の影響も受けると考えられている。最終的には、分子間での速度変動と分子内での速度変動の両方が原因で、分子の動きが通過速度の分布の広さに影響されてしまうことに帰結する。このような通過時間の広がりがゆえ、時間から分子の位置を求める単純な変換が乱れてマッピングへの応用が複雑になり、荷電分子を大きさで振り分けるナノポアの機能が、従来のゲル電気泳動技術と比較して大幅に制限されてしまう。 When a biopolymer such as DNA alone moves through the nanopore, the dynamics of molecular transport becomes complicated. It is considered that the velocity at the time of passage depends not only on the conformation and proportion of the molecule outside the pores but also on the transient interaction with the pore wall and the membrane material and the influence of thermal fluctuation. There is. The end result is that the movement of molecules is affected by the breadth of the distribution of passage velocity due to both intra- and intra-molecular velocity fluctuations. This widening of the transit time complicates the simple conversion to find the position of a molecule from time and complicates the application to mapping. Will be significantly limited compared to.

酵素を用いて細孔でDNAを段階的に移動させる高水準の運動制御がいくらか功を奏し、長年にわたる集約的な研究は現在、生物学的ナノポアを利用した配列決定デバイスの形で成果をあげているが、固体状態のナノポアによって提供される潜在力の活用に大きな課題が残ったままになっている。 The high level of motor control of stepwise movement of DNA in the pores using enzymes has been somewhat successful, and many years of intensive research now yield results in the form of biological nanopore-based sequencing devices. However, significant challenges remain in harnessing the potential offered by solid-state nanopores.

移動速度制御に関する実験では、大半の努力が、表面電荷密度をレーザー変調して電気浸透流を制御することを含む様々な手段、水性液体とイオン性液体の両方での適切な電解質の選択、粘度の調整、細孔とゲルとの接触または異なる膜材料の使用によって、DNAを減速させることに焦点をあてている。これらの方法では、様々な度合いでDNAの移動速度を落とすことができるが、通過時間の分布が広がるという犠牲を払ってのことである。 In experiments involving migration rate control, most efforts have involved a variety of means, including laser modulation of surface charge density to control electroosmotic flow, selection of appropriate electrolytes for both aqueous and ionic liquids, and viscosity. Focus on slowing down DNA by tailoring cells, contacting the pores with gels or using different membrane materials. These methods can slow the rate of DNA migration to varying degrees, but at the expense of broadening the transit time distribution.

通過時間の分布が広がる要因を検討した研究も、わずかに存在する。塩溶液に何を選択するかで、通過時間の分布の幅に大きく影響することがわかっている。シミュレーション研究によって、電場勾配が拡がるとポリマーの平衡状態が崩れ、平衡予測の結果よりも通過時間の分布が広くなることが実証された。移動前に長くなった分子は、抗力が増すことで通過時間が長くなり、移動終了に近づくにつれて加速する。 A few studies have examined the factors that widen the transit time distribution. It has been found that the choice of salt solution has a great influence on the width of the transit time distribution. Simulation studies have demonstrated that as the electric field gradient widens, the equilibrium state of the polymer collapses, resulting in a wider transit time distribution than the equilibrium prediction results. Molecules that have become long before moving will have a longer transit time due to increased drag, and will accelerate as they approach the end of movement.

残念ながら、通過時間の大きなばらつきの原因となる主要なメカニズムは、ナノポアを移動前のDNA分子で利用可能な大きなコンフォメーションエントロピーであると考えられているが、ナノポア付近での幾何学形状を十分に制限できる装置の製造が複雑であるがゆえ、実験的な検証は依然として困難なままである。 Unfortunately, the major mechanism responsible for the large variability in transit time is thought to be the large conformational entropy available in DNA molecules prior to translocation of the nanopore, but the geometry near the nanopore is sufficient. Experimental validation remains difficult due to the complexity of manufacturing devices that can be limited to

このセクションでは、必ずしも先行技術ではない本開示に関する背景情報を提供する。 This section provides background information regarding the present disclosure that is not necessarily prior art.

このセクションは、開示の大ざっぱな概要を提示するものであり、その全範囲またはすべての特徴の包括的な開示ではない。 This section presents a general summary of the disclosure and is not an exhaustive disclosure of its full scope or all features.

ナノポアを通る標的分子の移動を制御するためのシステムが提供される。このシステムには、検知構造体と、流体を収容するように構成されるとともに、流体チャネルによって流体が行き来できる状態で互いに連結された2つのチャンバであって、検知構造体が流体チャネルに挿入されることで、検知構造体に形成されたナノポアを通る以外に流体が2つのチャンバ間を通過できないように連結された2つのチャンバと、電圧源に電気的に接続されるとともに、検知構造体に電位を加えるように構成された、2つのチャンバのそれぞれに1つずつの2つの電極と、が含まれる。 Systems are provided for controlling the movement of target molecules through the nanopore. The system includes a sensing structure and two chambers that are configured to contain a fluid and that are fluidly connected to each other by a fluid channel, the sensing structure being inserted into the fluid channel. As a result, the two chambers that are connected so that the fluid cannot pass between the two chambers other than passing through the nanopores formed in the sensing structure, are electrically connected to the voltage source, and are connected to the sensing structure. Two electrodes, one for each of the two chambers, configured to apply an electric potential are included.

基材上に検知膜が設けられ、検知膜には、ナノポアが1つ形成されている。検知膜は、誘電材料または二次元材料で構成されてもよい。検知膜の露出した上面に1つ以上のスペーサが配置されている。1つ以上のスペーサを覆うようにして、検知膜の上面にフィルター膜が配置され、それにより、検知膜、1つ以上のスペーサおよびフィルター膜が、検知構造体を形成する。フィルター膜には、複数のナノポアが形成されている。 A detection film is provided on the base material, and one nanopore is formed on the detection film. The sensing film may be composed of a dielectric material or a two-dimensional material. One or more spacers are disposed on the exposed upper surface of the sensing film. A filter film is disposed on the upper surface of the sensing film overlying the one or more spacers, whereby the sensing film, the one or more spacers and the filter film form a sensing structure. A plurality of nanopores are formed on the filter film.

いくつかの実施形態では、フィルター膜は、標的分子の輪郭長とほぼ同じ距離だけ検知膜から離れている。例えば、1つ以上のスペーサは、ある距離だけ検知膜からフィルター膜を離すように構成され、この距離が標的分子の輪郭長より短くなるような大きさである。 In some embodiments, the filter membrane is separated from the sensing membrane by about the same distance as the contour length of the target molecule. For example, the one or more spacers are configured to separate the filter membrane from the sensing membrane by a distance that is sized to be less than the contour length of the target molecule.

いくつかの実施形態では、フィルター膜に形成された複数のナノポアにおけるナノポアの平均サイズは、標的分子の回転半径の2倍未満である。 In some embodiments, the average size of the nanopores in the plurality of nanopores formed in the filter membrane is less than twice the radius of gyration of the target molecule.

いくつかの実施形態では、フィルター膜は、電気抵抗が検知膜の電気抵抗よりも低くなるように構成されている。 In some embodiments, the filter membrane is configured so that its electrical resistance is lower than that of the sensing membrane.

いくつかの実施形態では、フィルター膜と検知膜の間には、標的分子が自由溶液中でコイル状をなしているときに、体積が標的分子の体積の1000倍未満になるような空間が存在する。 In some embodiments, there is a space between the filter membrane and the sensing membrane such that when the target molecule is coiled in free solution, the volume is less than 1000 times the volume of the target molecule. To do.

いくつかの実施形態において、複数のナノポアは、フィルター膜と検知膜との間の距離の2倍に任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離を加えた値が標的分子の輪郭長よりも大きくなるような任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離で、フィルター膜に形成されている。 In some embodiments, the plurality of nanopores has a value of twice the distance between the filter membrane and the sensing membrane plus the average nearest neighbor distance between any two nanopores greater than the contour length of the target molecule. Is formed in the filter membrane at the average nearest neighbor distance between any two such nanopores.

いくつかの実施形態において、複数のナノポアは、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、標的分子が自由溶液中にあるときの標的分子の回転半径未満になるように、フィルター膜に形成されている。 In some embodiments, the plurality of nanopores is formed in a filter membrane such that the average nearest neighbor distance between any two nanopores is less than the radius of gyration of the target molecule when the target molecule is in free solution. Has been done.

いくつかの実施形態では、フィルター膜は電気抵抗を示すように構成され、検知膜は、フィルター膜の電気抵抗を検知膜の電気抵抗で割った商が0.01未満になるような電気抵抗を示すように構成されている。 In some embodiments, the filter membrane is configured to exhibit electrical resistance and the sensing membrane has an electrical resistance such that the quotient of the electrical resistance of the filter membrane divided by the electrical resistance of the sensing membrane is less than 0.01. It is configured as shown.

一態様では、検知構造体を使用して、1つのナノポアが形成された検知膜を通る標的ポリマーの移動を制御することができる。この方法は、流体チャネル内に検知構造体を配置し、検知構造体に電位を加えることによって検知構造体のナノポアを介して標的ポリマーを駆動し、検知膜のナノポアを通る標的ポリマーの通過時間を測定することを含み、検知膜とフィルター膜とを隔てる距離は、標的分子の輪郭長よりも短い。 In one aspect, the sensing structure can be used to control the migration of the target polymer through the sensing membrane where one nanopore is formed. This method places the sensing structure in a fluid channel and drives the target polymer through the sensing structure's nanopores by applying an electrical potential to the sensing structure to determine the transit time of the target polymer through the sensing membrane's nanopores. The distance separating the sensing membrane and the filter membrane, including measuring, is shorter than the contour length of the target molecule.

別の態様では、この方法は、流体チャネル内に検知構造体を配置し、検知構造体に電位を加えることによって検知構造体のナノポアを介して標的ポリマーを駆動し、検知膜のナノポアを通る標的ポリマーの通過時間を測定することを含み、複数のナノポアは、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、標的分子が自由溶液中にあるときの標的分子の回転半径未満になるように、フィルター膜に形成されている。 In another aspect, the method positions a sensing structure within a fluid channel and drives a target polymer through the sensing structure's nanopores by applying an electrical potential to the sensing structure to drive the target through the sensing membrane's nanopores. Including measuring the transit time of the polymer, wherein the plurality of nanopores has an average nearest neighbor distance between any two nanopores, an average nearest neighbor distance between any two nanopores, and the target molecule is in free solution. It is formed on the filter membrane so that it is less than the radius of gyration of the target molecule.

さらに別の態様では、この方法は、検知構造体に電位を加えることによって検知構造体の検知ナノポアを介して標的ポリマーを駆動して、フィルター膜と検知膜との間に形成された空洞に入れ、この空洞に標的ポリマーをトラップし、検知構造体に加える電位を反転することによって検知構造体の空洞から標的ポリマーを排出することを含み、フィルター膜と検知膜とを隔てる距離が標的ポリマーの捕捉半径よりも大きい。 In yet another aspect, the method drives a target polymer through the sensing nanopores of the sensing structure by applying an electrical potential to the sensing structure to enter a cavity formed between the filter membrane and the sensing membrane. , Trapping the target polymer in this cavity and evacuating the target polymer from the cavity of the sensing structure by reversing the potential applied to the sensing structure, the distance separating the filter membrane and the sensing membrane being the capture of the target polymer. Greater than radius.

適用可能なさらに別の領域が、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。この概要の説明および特定の例は、例示のみを目的とするものであり、本開示の範囲を限定するものではない。 Further areas of applicability will be apparent from the description provided herein. This summary description and specific examples are intended for purposes of illustration only and are not intended to limit the scope of the present disclosure.

本明細書で説明する図面は、選択された実施形態の例示のみを目的としており、すべての可能な実装ではなく、本開示の範囲を限定することは意図されていない。
図1は、分子をナノポアで移動させるシステムで使用するための改良された検知構造体の側面図である。 図2は、検知膜に配置された穴のあるスペーサを示す上面図である。 図3Aは、フィルター膜の検知膜上への移動を示す側面図であり、両者の間にはスペーサによって隙間が維持されている。 図3Bは、フィルター膜の検知膜上への移動を示す側面図であり、両者の間にはスペーサによって隙間が維持されている。 図3Cは、フィルター膜の検知膜上への移動を示す側面図であり、両者の間にはスペーサによって隙間が維持されている。 図4は、ナノポアデバイスのセットアップ例の図である。 図5Aは、ナノポアデバイス用の支持構造体の分解図である。 図5Bは、ナノポアデバイス用の支持構造体の分解図である。 図6は、内部の検知構造体を拡大して示した支持構造体の側断面図である。 図7Aは、検知構造体を通過する長さの異なるポリマーを示す。図7Bは、検知構造体を通過する長さの異なるポリマーを示す。図7Cは、検知構造体を通過する長さの異なるポリマーを示す。図7Dは、それぞれのポリマーの通過時間分布を示す対応するグラフである。図7Eは、それぞれのポリマーの通過時間分布を示す対応するグラフである。図7Fは、それぞれのポリマーの通過時間分布を示す対応するグラフである。 図8は、ナノデバイスの寸法に関して非常に長いポリマーが、フィルター膜の2つ以上の細孔にまたがって検知細孔を貫通することによりデバイスを詰まらせることを示すグラフである。 図9Aは、提案されたナノデバイスの平均通過時間を示すグラフである。 図9Bは、対照デバイスの平均通過時間を示すグラフである。 図10Aは、提案されたナノデバイスの通過時間の標準偏差を示すグラフである。 図10Bは、対照デバイスの通過時間の標準偏差を示すグラフである。 図11Aは、提案されたナノデバイスの通過時間の変動係数を示すグラフである。 図11Bは、対照デバイスの通過時間の変動係数を示すグラフである。 図12Aは、提案されたナノデバイスの細孔内の500bpのDNAラダーを示すグラフである。図12Bは、提案されたナノデバイスの細孔内の500bpのDNAラダーを示すグラフである。図12Cは、対照デバイスの細孔内の500bpのDNAラダーを示すグラフである。 図13は、対照デバイスに関連する様々なナノデバイスの折り畳み率を示すグラフである。 図14Aは、エントロピートラップとしての提案されたナノデバイスの動作の原理証明データを示すグラフである。図14Bは、エントロピートラップとしての提案されたナノデバイスの動作の原理証明データを示すグラフである。
The drawings described herein are for purposes of illustration of selected embodiments only, and are not intended to limit the scope of the present disclosure, but not all possible implementations.
FIG. 1 is a side view of an improved sensing structure for use in a nanopore translocation system. FIG. 2 is a top view showing a spacer having holes arranged in the detection film. FIG. 3A is a side view showing the movement of the filter film onto the detection film, and a gap is maintained between them by a spacer. FIG. 3B is a side view showing the movement of the filter film onto the detection film, and a gap is maintained between them by a spacer. FIG. 3C is a side view showing the movement of the filter film onto the detection film, and a gap is maintained between them by a spacer. FIG. 4 is a diagram of a setup example of the nanopore device. FIG. 5A is an exploded view of a support structure for a nanopore device. FIG. 5B is an exploded view of a support structure for a nanopore device. FIG. 6 is a side cross-sectional view of the support structure showing an enlarged view of the internal detection structure. FIG. 7A shows polymers of different lengths passing through the sensing structure. FIG. 7B shows polymers of different lengths passing through the sensing structure. FIG. 7C shows polymers of different lengths passing through the sensing structure. FIG. 7D is a corresponding graph showing the transit time distribution of each polymer. FIG. 7E is a corresponding graph showing the transit time distribution of each polymer. FIG. 7F is a corresponding graph showing the transit time distribution of each polymer. FIG. 8 is a graph showing that a polymer that is very long with respect to the dimensions of the nanodevice clogs the device by penetrating the sensing pores across more than one pore of the filter membrane. FIG. 9A is a graph showing the average transit time of the proposed nanodevice. FIG. 9B is a graph showing the average transit time of the control device. FIG. 10A is a graph showing the standard deviation of transit times for the proposed nanodevices. FIG. 10B is a graph showing the standard deviation of transit times for the control device. FIG. 11A is a graph showing the coefficient of variation of transit time of the proposed nanodevice. FIG. 11B is a graph showing the coefficient of variation of transit time for the control device. FIG. 12A is a graph showing a 500 bp DNA ladder within the pores of the proposed nanodevice. FIG. 12B is a graph showing a 500 bp DNA ladder within the pores of the proposed nanodevice. FIG. 12C is a graph showing a 500 bp DNA ladder within the pores of the control device. FIG. 13 is a graph showing the fold rates of various nanodevices associated with control devices. FIG. 14A is a graph showing proof-of-principle data for the operation of the proposed nanodevice as an entropy trap. FIG. 14B is a graph showing proof-of-principle data for the operation of the proposed nanodevice as an entropy trap.

対応する参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。 Corresponding reference characters indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings.

次に、添付の図面を参照して、例示的な実施形態をより完全に説明する。 Exemplary embodiments will now be described more fully with reference to the accompanying drawings.

図1に、分子をナノポアで移動させるシステムで使用するための改良された検知構造体10を示す。検知構造体10は主に、検知膜14の露出した上面にフィルター膜12を配置して構成されている。検知膜14の上面に1つ以上のスペーサ13を配置し、このスペーサ13によってフィルター膜12を検知膜14から離しておくと好ましい。フィルター膜を検知膜から離す距離は、標的分子(例えば、モノマーまたはポリマーなど)の輪郭長とほぼ同じであると好ましい。1つ以上のスペーサ13は、フィルター膜12と検知膜14との間に空洞を形成するのに役立つ。この空洞は、典型的には、体積が、自由溶液中でコイル状になっているときの標的分子の体積の1000倍未満の空洞である。構造的に支持するために、膜を基材15に設ける。 FIG. 1 shows an improved sensing structure 10 for use in a nanopore translocation system. The detection structure 10 is mainly configured by disposing the filter film 12 on the exposed upper surface of the detection film 14. It is preferable to dispose one or more spacers 13 on the upper surface of the detection film 14 and keep the filter film 12 away from the detection film 14 by the spacers 13. The distance separating the filter membrane from the sensing membrane is preferably about the same as the contour length of the target molecule (eg, monomer or polymer). The one or more spacers 13 serve to form a cavity between the filter membrane 12 and the sensing membrane 14. The cavity is typically a cavity whose volume is less than 1000 times the volume of the target molecule when coiled in free solution. A membrane is provided on the substrate 15 for structural support.

例示的な実施形態では、検知膜14は窒化ケイ素などの誘電材料で構成されたものであると好ましい。低圧化学蒸着(LPCVD)を使用して、窒化ケイ素の薄膜(例えば、5〜100nmなど)を基材(例えば、シリコンウェハなど)上に堆積させることができる。検知膜14は、グラフェンや遷移金属ジカルコゲニドなどの二次元材料または多層金属/誘電体構造を含む他の誘電材料もしくは非誘電材料で構成されたものであってもよい。 In the exemplary embodiment, sensing film 14 is preferably constructed of a dielectric material such as silicon nitride. Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) can be used to deposit a thin film of silicon nitride (eg, 5-100 nm, etc.) onto a substrate (eg, silicon wafer, etc.). The sensing film 14 may be composed of a two-dimensional material such as graphene or a transition metal dichalcogenide or other dielectric or non-dielectric material including a multi-layer metal/dielectric structure.

スペーサ13は、検知膜14の露出した上面に形成される。例示的な実施形態では、スペーサ13は、プラズマ強化CVD(PECVD)または他の堆積技術を使用して、二酸化ケイ素の層(例えば、50〜1000nmなど)を窒化ケイ素上に堆積させることによって形成される。その後、二酸化ケイ素層にフォトレジストをパターニングし、選択的にエッチングして(例えば、ドライRIEまたはウェットHFを使用)、フィルター膜12と検知膜14とを離した状態に維持する一助となる検知膜14上のスペーサ13に、1つ以上の穴(すなわち、グリッド)を形成する。例示的な実施形態では、スペーサ13は、図2から最も良くわかるように、複数の穴11が配列されたフィルムである。別の実施形態では、スペーサは、検知膜の上面に並んで設けられた複数のピラーで構成されてもよい。スペーサおよびそれらの製造のための他の配置も、本開示によって考えられる。 The spacer 13 is formed on the exposed upper surface of the detection film 14. In the exemplary embodiment, spacers 13 are formed by depositing a layer of silicon dioxide (eg, 50-1000 nm) on silicon nitride using plasma enhanced CVD (PECVD) or other deposition techniques. It Thereafter, the silicon dioxide layer is patterned with photoresist and selectively etched (eg, using dry RIE or wet HF) to help keep the filter film 12 and the sensing film 14 apart. One or more holes (ie, grids) are formed in the spacer 13 on 14. In the exemplary embodiment, the spacer 13 is a film in which a plurality of holes 11 are arranged, as best seen in FIG. In another embodiment, the spacer may be composed of a plurality of pillars provided side by side on the upper surface of the sensing film. Spacers and other arrangements for their manufacture are also contemplated by this disclosure.

検知膜を露出させるために、基材の反対側に凹部17も設けられている。同様に、基材にフォトレジストをパターニングした後にエッチングを施して、基材15に凹部17を形成してもよい。例示的な実施形態では、凹部17は、ウェハの反対側に配置されるスペーサ13の中心と整列されている。凹部17を設けるのはスペーサ13の形成前であっても形成後であってもよいが、フィルター膜12を検知膜14に移動する前であると好ましいことが、容易に理解される。 A recess 17 is also provided on the opposite side of the substrate to expose the sensing film. Similarly, the photoresist 17 may be patterned on the base material and then etched to form the recesses 17 in the base material 15. In the exemplary embodiment, recess 17 is aligned with the center of spacer 13 located on the opposite side of the wafer. The recess 17 may be provided before or after the spacer 13 is formed, but it is easily understood that it is preferable that the recess 17 is provided before the filter film 12 is moved to the detection film 14.

フィルター膜12も、窒化ケイ素などの誘電材料で構成される。例示的な実施形態では、フィルター膜12は、基材15上に支持されてもよい薄膜(例えば、1〜100ナノメートル台など)である。フィルター膜12は、1〜100ナノメートルの範囲で孔径を調整可能な複数のナノポア19(本明細書では、ナノフィルター細孔とも称する)を含む。ナノフィルター細孔は、平均サイズが標的分子の回転半径の2倍未満であると好ましい。一実施形態では、例としてのフィルター膜12が、ニューヨーク州ウェストヘンリエッタのSiMPore,Inc.から市販されている。そのようなフィルター膜の製造については、全体を本明細書に援用するPCT/US2014/051316号のPCT特許出願にさらに説明されている。他の実施形態では、フィルター膜12は、気相逐次浸透合成または他の原子層堆積法を使用して製造される。フィルター膜の他の製造方法も本開示によって考えられる。 The filter film 12 is also made of a dielectric material such as silicon nitride. In the exemplary embodiment, filter membrane 12 is a thin film (eg, on the order of 1 to 100 nanometers) that may be supported on substrate 15. The filter membrane 12 includes a plurality of nanopores 19 (also referred to as nanofilter pores herein) whose pore size can be adjusted in the range of 1 to 100 nanometers. The nanofilter pores preferably have an average size less than twice the radius of gyration of the target molecule. In one embodiment, the exemplary filter membrane 12 is manufactured by SiMPore, Inc. of West Henrietta, NY. Is commercially available from. The manufacture of such filter membranes is further described in the PCT patent application of PCT/US2014/051316, which is incorporated herein in its entirety. In other embodiments, the filter membrane 12 is manufactured using vapor phase sequential osmosis synthesis or other atomic layer deposition methods. Other methods of making filter membranes are also contemplated by this disclosure.

フィルター膜12を検知膜14に密着させることにより、スペーサ13を覆って検知膜14上にフィルター膜12を堆積させることができる。一例では、ファンデルワールス力を利用して、検知膜14上にフィルター膜12を移動させることができる。図3Aおよび図3Bを参照すると、図3Aに見られるように、膜同士を近接(例えば、数ミクロン)させる。場合によっては、膜同士を接触させてもよい。表面を親水性にするために、各要素を(例えば、コロナ処理などによって)クリーニングしてもよい。 The filter film 12 can be deposited on the detection film 14 by covering the spacer 13 by bringing the filter film 12 into close contact with the detection film 14. In one example, van der Waals forces can be used to move the filter membrane 12 onto the sensing membrane 14. Referring to FIGS. 3A and 3B, the membranes are brought into close proximity (eg, a few microns), as seen in FIG. 3A. In some cases, the membranes may be in contact with each other. Each element may be cleaned (eg, by corona treatment, etc.) to render the surface hydrophilic.

図3Bでは、冷たい水蒸気31の流れがフィルター膜12に向けられ、2つの膜の間にある空洞に入り込む。膜の間にある水は、自然に蒸発する。表面張力がゆえ2つの膜が引っ張られ、膜同士が接触すると、膜は互いに張り付く。最後に、フィルター膜12を支持している基材を機械的に取り除く。図3Cに見られるように、フィルター膜12は基材15から引き剥がされ、スペーサ13の上に残っている。検知構造体を完成させるには、例えば、フィルター膜12の縁に沿ってポリジメチルシロキサンを塗布し、フィルター膜12を適所に密着させることで、フィルター膜12を検知膜14に固定すればよい。作製したばかりの検知構造体10を、摂氏80度でベーキングすることによって硬化させてもよい。 In FIG. 3B, a stream of cold water vapor 31 is directed at the filter membrane 12 and into the cavity between the two membranes. The water between the membranes evaporates spontaneously. When the two membranes are pulled due to surface tension and the membranes come into contact, the membranes stick to each other. Finally, the substrate supporting the filter membrane 12 is mechanically removed. As can be seen in FIG. 3C, the filter membrane 12 has been peeled from the substrate 15 and remains on the spacer 13. To complete the detection structure, for example, the filter film 12 may be fixed to the detection film 14 by applying polydimethylsiloxane along the edge of the filter film 12 and bringing the filter film 12 into close contact with a suitable position. The freshly prepared sensing structure 10 may be cured by baking at 80 degrees Celsius.

あるいは、フィルター膜12に向けられた圧縮ガス(例えば、窒素または圧縮空気などの)の流れを利用して、フィルター膜12を移動させることができる。このガスが、スペーサ13に向かってフィルター膜12をそらせ、ひとたび膜同士が接触すれば、(例えばファンデルワールス力によって)2つの膜同士が張り付くように、接触を作り出す。2つの材料の結合を促進するために、接触前に空気または酸素プラズマでそれぞれの表面を活性化することが可能である。また、ポリジメチルシロキサンまたは他の何らかの接着剤を塗布する方法に代えて、ジグで圧縮しながら検知構造体10を高温で熱アニールしてフィルター膜12をスペーサ13に熱接着することで、フィルター膜から基材を剥がす必要性をなくすことができる。以上、特定の移動方法について言及したが、検知膜上にフィルター膜を堆積させる他の方法も本開示によって考えられる。 Alternatively, a flow of compressed gas (eg, nitrogen or compressed air, etc.) directed at the filter membrane 12 can be utilized to move the filter membrane 12. This gas deflects the filter membrane 12 towards the spacers 13, creating contact once the membranes are in contact, such that the two membranes stick together (eg, by Van der Waals forces). It is possible to activate the respective surfaces with an air or oxygen plasma before the contact in order to promote the bonding of the two materials. Also, instead of applying polydimethylsiloxane or some other adhesive, the sensing structure 10 is thermally annealed at a high temperature while being compressed with a jig to thermally bond the filter film 12 to the spacers 13, thereby The need to strip the substrate from can be eliminated. Although a particular transfer method is mentioned above, other methods of depositing a filter film on the sensing film are also contemplated by the present disclosure.

いくつかの実施形態では、検知膜14は、検知構造体10の製造中に形成される検知細孔18を含む。例えば、検知細孔は、基材上に窒化ケイ素を堆積後、電子線穿孔またはイオンビーム穿孔によって形成することができる。他の実施形態では、検知膜14の検知細孔18は、以下でさらに説明するように、ナノデバイスの文脈で制御された破壊プロセスを使用して形成したものであってもよい。検知細孔を形成するための他の技術も考えられる。同様に、他の製造方法を使用して検知構造体10を形成できることが容易に理解される。 In some embodiments, the sensing membrane 14 includes sensing pores 18 formed during fabrication of the sensing structure 10. For example, the sensing pores can be formed by electron beam drilling or ion beam drilling after depositing silicon nitride on the substrate. In other embodiments, the sensing pores 18 of the sensing membrane 14 may be formed using a controlled breakdown process in the context of nanodevices, as described further below. Other techniques for forming the sensing pores are also envisioned. Similarly, it is readily appreciated that other manufacturing methods can be used to form the sensing structure 10.

図4から図6は、ナノポアデバイス40の例示的なセットアップを示す。ナノデバイス40は主に、様々な流体通路が形成された支持構造体41で構成される。この例では、支持構造体41は、流体チャネル43によって流体が行き来できる少なくとも2つのチャンバ42を含む。2つのチャンバ42と流体チャネル43には、イオンを含む流体が入っている。一例では、流体は塩化カリウム水溶液である。別の例では、流体は塩化リチウムのエタノール溶液などの非水性溶媒である。着目する分析物に応じて、流体の組成が変わる可能性があることは、容易に理解される。 4-6 show an exemplary setup of the nanopore device 40. The nanodevice 40 is mainly composed of a support structure 41 in which various fluid passages are formed. In this example, the support structure 41 includes at least two chambers 42 that fluid can pass through by fluid channels 43. The two chambers 42 and the fluid channels 43 contain a fluid containing ions. In one example, the fluid is an aqueous potassium chloride solution. In another example, the fluid is a non-aqueous solvent such as a solution of lithium chloride in ethanol. It is easily understood that the composition of the fluid may vary depending on the analyte of interest.

検知構造体10は、流体チャネル43に挿入される。これによって、流体は、検知構造体10に形成されたナノポアを通る以外、2つのチャンバ間を流れることができなくなる。本例では、支持構造体41は、別々に設けられて互いに噛み合う2つの要素で形成されている。検知構造体10は、2つの別々要素の一方または両方に形成された凹部に嵌まる。検知構造体10が、2つのシリコーンガスケット44の間にあってもよい。支持構造体41に検知構造体10を収める他の構成および支持構造体41自体の他の構成も、本開示によって考えられる。 The sensing structure 10 is inserted into the fluid channel 43. This prevents fluid from flowing between the two chambers except through the nanopores formed in the sensing structure 10. In this example, the support structure 41 is formed of two elements that are separately provided and mesh with each other. The sensing structure 10 fits into a recess formed in one or both of the two separate elements. The sensing structure 10 may be between two silicone gaskets 44. Other configurations of housing the sensing structure 10 in the support structure 41 and other configurations of the support structure 41 itself are also contemplated by the present disclosure.

ナノデバイスのチャンバ43には、2つの電極46が1つずつ挿入される。これらの電極は、電圧源49に電気的に接続され、ナノデバイス40内に配置された検知構造体10に電位を加えるように構成されている。電圧源49は、コントローラ48により制御される。一実施形態では、コントローラは、パーソナルコンピュータまたは別のタイプのコンピューティングデバイスに電気的に接続されたデータ取得回路により実装される。いくつかの実施形態では、データ取得回路は、支持構造体の2つのチャンバ間を流れる電流を測定するように構成されてもよい。他の実施形態では、支持構造体41および/またはシステム全体を接地したファラデーケージ47に配置して、電気ノイズから隔離することができる。このように、このセットアップは、ナノポアセンシング分野で生体分子検出に一般に使用されるものと同様である。 Two electrodes 46 are inserted into the chamber 43 of the nanodevice one by one. These electrodes are electrically connected to a voltage source 49 and are configured to apply a potential to the sensing structure 10 located within the nanodevice 40. The voltage source 49 is controlled by the controller 48. In one embodiment, the controller is implemented by a data acquisition circuit electrically connected to a personal computer or another type of computing device. In some embodiments, the data acquisition circuit may be configured to measure the current flowing between the two chambers of the support structure. In other embodiments, the support structure 41 and/or the entire system can be placed in a grounded Faraday cage 47 to isolate it from electrical noise. Thus, this setup is similar to that commonly used for biomolecule detection in the nanopore sensing field.

上述したように、制御された破壊プロセスを使用して、検知膜に検知細孔を形成することができる。この場合、検知構造体10がナノポアデバイス40の支持構造体41内にあるときに検知膜で値が0.1ボルト/ナノメートルを超える電場を誘導する電位が得られるように、検知膜に電位が加えられる。検知膜を構成する材料の制御された破壊により、検知膜にナノポアが1つ形成される。検知膜に電位が加えられている間、検知膜での漏れ電流がモニターされる。検知膜の漏れ電流の急激な増加によって、ナノポアの形成が判断される。漏れ電流の急激な増加が検出されたら、膜の電位を消失させる。制御された破壊プロセスに関するさらに詳細については、全体を本明細書に援用する米国特許出願公開第2015/0108008号に見いだすことができる。 As mentioned above, a controlled disruption process can be used to form the sensing pores in the sensing membrane. In this case, a potential is applied to the sensing membrane such that when the sensing structure 10 is within the support structure 41 of the nanopore device 40, a potential is induced in the sensing membrane that induces an electric field whose value exceeds 0.1 volts/nanometer. Is added. The controlled destruction of the material comprising the sensing film results in the formation of one nanopore in the sensing film. The leakage current in the sensing membrane is monitored while the potential is applied to the sensing membrane. The formation of nanopores is determined by the rapid increase in leakage current in the sensing membrane. When a sudden increase in leakage current is detected, the potential of the membrane disappears. Further details regarding the controlled destruction process can be found in US Patent Application Publication No. 2015/01080808, which is incorporated herein in its entirety.

上記のナノデバイスには、様々な用途が想定される。例えば、ナノデバイス40の一方のチャンバから他方のチャンバまで、検知構造体10を通ってDNAまたは他の荷電分子などの分析物の混合物を流すことができる。ほとんどの用途では、フィルター膜12側から分析物を入れるが、用途によっては(すなわち、エントロピーケージ)検知膜14側から分析物を入れてもよい。動作時、分析物は、わずかな電圧(例えば1ボルトまで)に駆動されて、電気泳動でシステム内を移動する。 Various applications are envisioned for the above nanodevices. For example, a mixture of analytes such as DNA or other charged molecules can be flowed through the sensing structure 10 from one chamber of the nanodevice 40 to the other chamber. For most applications, the analyte will enter from the filter membrane 12 side, but in some applications (ie, entropy cage) the analyte may enter from the sensing membrane 14 side. In operation, the analyte is driven to a small voltage (eg, up to 1 volt) to electrophoretically move through the system.

例示的な実施形態では、ナノデバイスおよびその検知構造体の寸法を、用途に合わせて調整することができる。ナノデバイスの寸法は、次のように定義される。
h:検知膜とナノフィルターとの間の垂直距離
x:ナノフィルターの任意の2つの細孔間の平均最近隣距離
L:研究対象のポリマーの輪郭長
Y:スペーサ材料の穴の直径
L<hであるポリマーを、短いポリマーとする。短いポリマーは、検知細孔への捕捉前に隙間に完全に入るはずであり、その際、一部が緩むことになる。それでもまだナノデバイスはこれらのポリマーを通すが、検知細孔を通る移動動態にはほとんど影響しない。
In an exemplary embodiment, the dimensions of the nanodevice and its sensing structure can be tailored to the application. The dimensions of nanodevices are defined as follows.
h: vertical distance between sensing membrane and nanofilter x: average nearest neighbor distance between any two pores of nanofilter L: contour length of polymer under study Y: diameter of hole in spacer material L<h Let the polymer that is a short polymer. The short polymer should completely enter the gap before being trapped in the sensing pores, with some loosening. Nanodevices still pass these polymers, but have little effect on their migration kinetics through the sensing pores.

h<L<3(x/2+h)を満たすポリマーを、中くらいのポリマーとする。中くらいのポリマーは、ナノデバイスがサイジングの用途に最も有用な長さの範囲を表している。ここでのポリマーは通常、2つのナノフィルター細孔を貫通しても検知細孔に詰まることはないが、移動動態はフィルター膜の影響を強く受ける。 A polymer satisfying h<L<3 (x/2+h) is a medium polymer. Medium polymers represent the range of lengths where nanodevices are most useful for sizing applications. The polymer here usually does not clog the sensing pores even though it penetrates the two nanofilter pores, but the migration kinetics are strongly influenced by the filter membrane.

L>3(x/2+h)を満たすポリマーを、長いポリマーとする。長いポリマーは、2つのナノフィルター細孔を貫通する際に両端が検知細孔に入り、一定の電場を加えた際に貼り付いて、遅かれ早かれ検知細孔に詰まる。実際に使われるナノフィルター細孔はわずかであるため、実際の最近隣細孔距離xが特定のデバイスでの平均とは異なる場合がある。そのため、上記のポリマー長の範囲は、たいていの場合に有効な推定値にすぎない。デバイスによっては、中くらいのポリマーと長いポリマーとの間の境でわずかに値が異なる場合があるが、平均して、これはかなりうまく機能する。Yは、可撓性のナノフィルター層が検知膜に接触するのを防ぐことができる程度に小さくなければならない点でのみ制約されるが、電場線を空洞内でよりよく集束させることによってポリマーを伸張させる一層大きな電場勾配を達成するために、Yを小さくすることも考えられる。 A polymer that satisfies L>3 (x/2+h) is a long polymer. The long polymer penetrates the two nanofilter pores at both ends into the sensing pores and sticks to it when a constant electric field is applied, sooner or later clogging the sensing pores. Due to the small number of nanofilter pores actually used, the actual nearest neighbor pore distance x may differ from the average for a particular device. Therefore, the above polymer length ranges are in most cases only valid estimates. Depending on the device, the values may differ slightly at the boundary between medium and long polymers, but on average this works reasonably well. Y is constrained only in that it must be small enough to prevent the flexible nanofilter layer from contacting the sensing membrane, but by focusing the electric field lines better within the cavity, the polymer is It is also conceivable to reduce Y in order to achieve a larger electric field gradient that stretches.

要するに、ポリマーが上で定義した中くらいの長さのときに、ナノデバイスは閉塞せずにポリマーを伸長するのに最もうまく機能する。着目するポリマーが中くらいの範囲になるように、ナノデバイスの寸法を調整する必要がある。 In summary, when the polymer is of the medium length defined above, nanodevices work best to stretch the polymer without occluding. The nanodevice dimensions need to be adjusted so that the polymer of interest is in the medium range.

本開示の一態様では、特定の用途に合わせてナノデバイス40を適切に構成することにより、通過時間分布特性を制御する。本明細書では、短いポリマーは、検知細孔に捕捉されたまま2つのナノフィルター細孔19を貫通するには短すぎるポリマーと定義される。図7Aおよび図7Dを参照すると、短いポリマーでは、通過時間の分布がほぼ対数正規分布となる。ポリマーが長くなると、図7Bおよび図7Eに示すように、通過時間の長いテールが現れる。図7Cおよび図7Fでは、より長いポリマーが検知細孔18に捕捉されたまま2つのナノフィルター孔19を貫通している。これらの長めのポリマーは、2つのナノフィルター細孔を貫通できるだけでなく、長さ方向の一部がナノフィルター膜に沿って平らになって摩擦や固着の可能性を高めるとともに、通過時間の分布における長いテールを大幅に大きくすることができる。ナノフィルターの2つ以上の細孔を貫通するとともに両端が同時に検知細孔内に入っていられるだけの長さのポリマーでは、詰まりのモードを予測可能である。このモードでは、ポリマーの両端が2つのナノフィルター細孔を貫通したまま検知細孔に捕捉され、それによってセンサーが詰まる。これは、所定のスペーサ形状に対して、ナノデバイス40で確実に研究することができるポリマーの長さの上限となる。
ナノデバイス40の検知膜での標的ポリマーの移動を改善するための方法を説明する。出発点として、上記のように検知構造体をナノデバイスの流体チャネルに配置する。検知構造体に電位を加えることにより、検知構造体のナノポアを介して標的ポリマーを駆動する。次に、検知膜のナノポアを通過する標的ポリマーの通過時間を測定する。注目すべきは、1つ以上のスペーサが、フィルター膜を検知膜から離すように構成され、その距離が標的分子の輪郭長よりも短くなるような大きさになっていることである。場合によっては、フィルター膜に形成された複数のナノポアも、ポリマーが詰まりにくくなるように構成されている。例えば、フィルター膜の寸法は、次のように設計される。
In one aspect of the present disclosure, the transit time distribution characteristics are controlled by appropriately configuring the nanodevice 40 according to a specific application. Short polymers are defined herein as polymers that are too short to penetrate two nanofilter pores 19 while still being trapped in the sensing pores. Referring to FIGS. 7A and 7D, for short polymers, the transit time distribution is approximately log-normal. As the polymer lengthens, a long transit time tail appears, as shown in FIGS. 7B and 7E. In FIGS. 7C and 7F, the longer polymer remains trapped in the sensing pores 18 and penetrates the two nanofilter pores 19. These longer polymers not only penetrate the two nanofilter pores, but also have a lengthwise flattening along the nanofilter membrane to increase the likelihood of friction and sticking as well as the transit time distribution. The long tail at can be significantly larger. For polymers that are long enough to penetrate more than one pore of a nanofilter and have both ends simultaneously in the sensing pore, the mode of clogging is predictable. In this mode, both ends of the polymer remain trapped in the two nanofilter pores and are trapped in the sensing pores, thereby clogging the sensor. This is an upper limit on the length of polymer that can be reliably studied in nanodevice 40 for a given spacer geometry.
A method for improving the migration of a target polymer on the sensing membrane of nanodevice 40 is described. As a starting point, the sensing structure is placed in the fluidic channel of the nanodevice as described above. Applying an electrical potential to the sensing structure drives the target polymer through the sensing structure nanopores. Next, the transit time of the target polymer passing through the nanopores of the sensing membrane is measured. Of note, one or more spacers are configured to separate the filter membrane from the sensing membrane and are sized such that the distance is less than the contour length of the target molecule. In some cases, the plurality of nanopores formed in the filter membrane are also configured so that the polymer is less likely to be clogged. For example, the dimensions of the filter membrane are designed as follows.

これは十分な境界であり、ある程度の緩みを前提としている。より確固たる境界は2h+x>Lである。すなわち、フィルター膜の複数のナノポアは、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、フィルター膜と検知膜との間の距離の2倍に任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離を加えたものが標的分子の輪郭長より大きくなるようなものである。 This is a sufficient boundary and assumes some looseness. A more robust boundary is 2h+x>L. That is, the plurality of nanopores in the filter membrane has an average nearest neighbor distance between any two nanopores that is twice the distance between the filter membrane and the sensing membrane plus an average nearest neighbor distance between any two nanopores. Is larger than the contour length of the target molecule.

ナノデバイス40で有効に研究できる範囲のポリマーの場合、フィルター膜12によって、通過時間の標準偏差を抑え、図9から図11に見られるように通過時間分布の解像度を最大にすることができる。この効果は、フィルター膜を通過する際のDNAの伸長と伸張によって生じる。ナノフィルター細孔はコイル状のまま通過するには小さすぎるため、フィルターを通過するためには、コイルをほどいて伸長する必要がある。ひとたび一端が2つの膜の間の空間に入ると、電場勾配が生じる。これは、ポリマーの先端(検知細孔に最も近い)がポリマーの残りの部分よりも強い引っ張り力を受けることを意味する。この伸張のメカニズムは、フィルター膜なしでも生じる。しかし、フィルター膜との接触による摩擦と相まって、ポリマーはより伸張し、捕捉前にポリマーが取り得るコンフォメーションの数が少なくなる。ポリマーがフィルターを通過するには線状に伸張する必要があるため、フィルター膜によってポリマーの通過時に想定可能なコンフォメーションの数を制限し、つど極めて一貫した移動動態を得ることができる。 For the range of polymers that can be effectively studied in the nanodevice 40, the filter membrane 12 can reduce the standard deviation of transit time and maximize the resolution of the transit time distribution as seen in FIGS. 9-11. This effect is caused by the elongation and elongation of the DNA as it passes through the filter membrane. Since the nanofilter pores are too small to pass through in the coil form, it is necessary to unwind and elongate the coil to pass through the filter. Once one end enters the space between the two membranes, an electric field gradient is created. This means that the tip of the polymer (closest to the sensing pores) experiences a higher tensile force than the rest of the polymer. This stretching mechanism also occurs without a filter membrane. However, coupled with the friction from contact with the filter membrane, the polymer is more stretched, reducing the number of conformations it can assume before entrapment. Since the polymer needs to stretch linearly to pass through the filter, the filter membrane limits the number of conformations that can be assumed during the passage of the polymer, resulting in highly consistent migration kinetics each time.

対照デバイスには依然として電場勾配が存在するが、検知細孔の直径の2乗に比例する物理的な広がりがあることから、小さな細孔の場合には特に、フィルター膜が存在しない場合よりも伸張が不完全になる。このように、フィルター膜を用いることで、検知細孔の大きさや大きさの安定性への依存がなくなり、全ての細孔が、たとえ小さな細孔であっても、着目する分析物の通過を検知する極めて一貫したセンサーになる。フィルター膜は、本質的に、センサーが検知細孔に近づくにつれてポリマーを最大限に伸張させるメカニズムである。 Although the control device still has an electric field gradient, it has a physical extension that is proportional to the square of the diameter of the sensing pores, which makes it more stretchable than the absence of the filter membrane, especially for smaller pores. Becomes incomplete. Thus, by using a filter membrane, there is no dependence on the size of the detection pores or the stability of the size, and even if all the pores are small pores, the analyte of interest can pass through. It becomes a very consistent sensor to detect. The filter membrane is essentially the mechanism by which the polymer is maximally stretched as the sensor approaches the sensing pores.

例示的な実施形態では、フィルター膜の細孔はランダムに分布している。ナノフィルター細孔がランダムに分布している事実がゆえ、上述した区分を作るポリマーの長さは、検知細孔付近にあるナノフィルター細孔の局所的な分布に応じてデバイスごとに若干異なる場合がある。それにもかかわらず、どの長さがどの区分になるかを予測することが可能である。他の実施形態では、どの長さがどの区分になるかを予測できるように、フィルター膜の細孔のパターンと位置を制御することができる。 In an exemplary embodiment, the pores of the filter membrane are randomly distributed. Due to the fact that the nanofilter pores are randomly distributed, the length of the polymer that makes up the above segment may vary slightly from device to device depending on the local distribution of nanofilter pores near the sensing pores. There is. Nevertheless, it is possible to predict which length will be in which segment. In other embodiments, the pattern and position of the pores of the filter membrane can be controlled so that it can be predicted which length will be in which section.

他の例では、詰まりを利用して、ポリマーが検知細孔内にある時間を延ばすことができる。この用途では、着目するポリマーが長い範囲になるように、ナノデバイスの寸法を調整する必要がある。詰まったポリマーについては、例えば、詰まっている間にDC電場にAC電場を重ねることにより、制御可能な状態で移動させることができる。ポリマーが細孔内にある時間を延ばすことで、ポリマーの長さに沿った特徴のより正確なマッピングおよび/または検出目的でより低帯域幅の電子機器の使用が可能になる。 In another example, clogging can be used to extend the time the polymer is in the sensing pores. For this application, it is necessary to tailor the dimensions of the nanodevice so that the polymer of interest has a long reach. A clogged polymer can be controllably moved by, for example, superimposing an AC field on a DC field while it is clogged. Prolonging the time the polymer is in the pores allows the use of lower bandwidth electronics for more accurate mapping of features along the length of the polymer and/or detection purposes.

ナノデバイス40の別の用途に、ナノポアサイズ分光法がある。ナノフィルターを使用すると通過時間の標準偏差が最小になるため(図9および図10参照)、これを活用し、DNAフラグメントが混じった集団を区別するためのDNAサイズ分解能を向上させることができる。ここでの重要な改善は、過去、通常のナノポアではDNAを長さで区別する際に約1000bpの解像度しか達成できず、細孔が厳密に正しい大きさでも約400bpの解像度(具体的には、100bpと500bpとを区別)を達成できただけであるが、提案されたナノデバイス40は、検知細孔がLiCl塩で不安定な場合であっても、検知細孔の大きさを問わず短いポリマーから中程度のポリマー長の範囲で500bpの解像度を実現できる点にある。KCl溶液などでDNAの電荷をシールドするためにKなど異なるカチオン種を使用すると、より良い性能(例:約100bp)が期待される。フィルター膜がないと、分布は検知細孔の大きさに極めて依存するため、デバイスの信頼性が低下して故障しやすくなるが、フィルター膜を適所に設けることで、この依存性がなくなり、サイズ分光法の信頼性が高くなる。 Another application for the nanodevice 40 is nanopore size spectroscopy. The use of nanofilters minimizes the standard deviation of transit time (see Figures 9 and 10), which can be exploited to improve DNA size resolution for distinguishing populations mixed with DNA fragments. The important improvement here is that in the past, ordinary nanopores could only achieve a resolution of about 1000 bp in distinguishing DNA by length, and even with a strictly correct size of pores a resolution of about 400 bp (specifically, , 100 bp and 500 bp) can be achieved, but the proposed nanodevice 40 does not care about the size of the detection pores even if the detection pores are unstable with LiCl salt. The point is that a resolution of 500 bp can be realized in the range of a short polymer to a medium polymer length. Better performance (eg, about 100 bp) is expected when using different cationic species such as K + to shield the charge of DNA such as in KCl solution. Without a filter membrane, the distribution is highly dependent on the size of the sensing pores, which reduces device reliability and makes it more prone to failure, but having a filter membrane in place eliminates this dependency and reduces size. Increases the reliability of spectroscopy.

本開示の別の態様では、提案された検知構造体を、分子が折り畳まれた状態での移動を抑制するように構成することもできる。この態様でも、検知構造体は、上述したようなナノデバイスの流体チャネルに配置される。検知構造体に電位を加えることによって検知構造体のナノポアを介して標的ポリマーが駆動され、検知膜のナノポアを通る標的ポリマーの通過時間が測定される。この場合、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離は、折り畳みを抑制するために特定の方法で構成される。具体的には、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、標的分子が自由用液中にあるときの標的分子の回転半径未満になるように、複数のナノポアがフィルター膜に形成されている。 In another aspect of the disclosure, the proposed sensing structure can also be configured to inhibit migration of molecules in the folded state. Again, the sensing structure is placed in the fluidic channel of the nanodevice as described above. Applying an electrical potential to the sensing structure drives the target polymer through the sensing structure nanopores and measures the transit time of the target polymer through the sensing membrane nanopores. In this case, the average nearest neighbor distance between any two nanopores is constructed in a particular way to suppress folding. Specifically, a plurality of nanopores are formed in the filter membrane so that the average closest distance between any two nanopores is less than the radius of gyration of the target molecule when the target molecule is in the free liquid. There is.

実験データから、この折り畳みを抑制するアプローチを確認する。DNAの単一ファイルの通過がタイプ1のイベント、DNAが中央で折り畳まれ、完全に折り畳まれた状態で移動するイベントがタイプ2のイベントになるように定義し、折り畳まれた状態でイベントが開始される、部分的に折り畳まれたイベントがタイプ21のイベントになるように定義する。折り畳み率は、折り畳まれた状態で費やされた時間tと、合計通過時間と折り畳まれた時間との和ttotal+tとの比として次のように定義される。
Experimental data confirms an approach to suppress this folding. It is defined that the passage of a single file of DNA is a type 1 event, the event that DNA folds in the center and moves when it is completely folded is a type 2 event, and the event starts in the folded state The partially collapsed event that is defined is defined as a type 21 event. The folding rate is defined as the ratio of the time t 2 spent in the folded state and the sum of the total transit time and the folded time t total +t 2 as follows.

これは、DNA骨格に沿った折り畳みの部分的な位置の代わりに使用可能である。タイプ1のイベントではf=0、タイプ2のイベントではf=0.5であり、部分的に折り畳まれたタイプ21のイベントはその間にある。各タイプの例が、図13の挿入図に見られる。
引き続き図13を参照すると、研究対象とした8つのナノデバイスのうち2つが、検知細孔は折り畳まれた状態での移動を可能にするのに十分な大きさであるにもかかわらず、折り畳まれた状態での移動をほぼ完全に抑制したことに注意されたい。しかし、残りの6つのナノデバイスは、対照デバイス(すなわち、フィルター膜なし)と同様の挙動を示した。それぞれのデバイスで研究対象とした全てのDNA長で折り畳み抑制が発生した(または発生しなかった)ため、折り畳みを抑制する要因となるのはフィルター膜の静的な性質のはずであるが、これは必ずしも全てのナノデバイスに存在するとは限らない。その理由として最も可能性があるのは、ナノフィルターの細孔の大きさと位置がランダムに分布していることである。
This can be used in place of the partial location of the fold along the DNA backbone. F=0 for type 1 events and f=0.5 for type 2 events, with partially folded type 21 events in between. An example of each type can be found in the inset of FIG.
With continued reference to FIG. 13, two of the eight nanodevices studied were folded while the sensing pores were large enough to allow migration in the folded state. Note that it almost completely suppressed the movement in the closed state. However, the remaining six nanodevices behaved similarly to the control device (ie, no filter membrane). Since the suppression of folding occurred (or did not occur) at all DNA lengths studied in each device, it is supposed that the static property of the filter membrane is the factor that suppresses folding. Does not necessarily exist in all nanodevices. The most likely reason for this is that the pore sizes and positions of the nanofilters are randomly distributed.

DNAは堅いポリマーであるため、折り畳んでナノポアに入れるには相当な力が必要である。フィルター膜のインピーダンスが低いことから、電圧の大半が検知細孔で降下して電圧の降下がわずかしかなく、フィルター膜に存在する力は小さい。電場は検知細孔から離れるにつれて検知細孔からの半径方向距離の2乗で減衰するため、検知細孔からの隙間の高さとほぼ等しい横方向距離の範囲内にあるナノフィルター細孔だけが、実際にDNAを通過させられるだけの十分な電圧降下となる。考慮対象とした多孔度については、アクティブにDNAを通過させるナノフィルター細孔が8つ未満であることを意味する。検知細孔に近い全てのナノフィルター細孔が非常に小さい場合(すなわち、二本鎖DNAの持続長または約30nmよりも小さいと定義される場合)、折り畳まれた構成でDNAをフィルターに通すには力が不十分であろう。DNAが膜の間にある時間は、完全に緩むには不十分であるため、フィルターを通過する際に折り畳まれていない状態だと、検知細孔も折り畳まれていない状態で通過することになりやすい。この場合、ナノフィルター細孔を小さく(<30nm)することで、フィルター膜が最適化される。 Because DNA is a rigid polymer, it requires considerable force to fold into a nanopore. Due to the low impedance of the filter membrane, most of the voltage drops in the sensing pores and there is only a small voltage drop, and the force present in the filter membrane is small. Since the electric field decays with the square of the radial distance from the sensing pore as it moves away from the sensing pore, only nanofilter pores within a lateral distance range approximately equal to the height of the gap from the sensing pore, The voltage drop is sufficient to actually pass the DNA. For porosity considered, it means less than 8 nanofilter pores that actively allow DNA to pass through. If all nanofilter pores close to the sensing pore are very small (ie, defined as the persistence length of double-stranded DNA or less than about 30 nm), then the DNA will be passed through the filter in a folded configuration. Will not be strong enough. The time that the DNA is between the membranes is not enough to completely loosen, so if it were unfolded when it passed through the filter, the sensing pores would also pass unfolded. Cheap. In this case, the filter membrane is optimized by making the nanofilter pores small (<30 nm).

あるいは、ナノフィルターを通過するDNA分子が両端からほぼ常に両方の細孔に同時に捕捉されるほど検知細孔に最も近い2つのナノフィルター細孔が接近してしまったら、実際に移動させる前にナノフィルター細孔を線形化して選択する必要がある(すなわち、図7Cに示すような状況)。このプロセスでは、DNAが線状になり、折り畳まれていない状態での捕捉が促進される傾向にある。なぜなら、ポリマーが、検知細孔を通って移動する前に引っ張り力に抗って伸びるためである。この場合、細孔間の平均距離が膜間の隙間の高さよりも短くなるような非常に高い多孔性を持つことでフィルター膜が最適化され、ナノフィルター細孔が必ずしもポリマーの持続長よりも小さくなくても、折り畳みの抑制が可能になる。 Alternatively, if the two nanofilter pores that are closest to the detection pore are so close that DNA molecules that pass through the nanofilter are almost always trapped in both pores at the same time from both ends, the The filter pores need to be linearized and selected (ie the situation as shown in Figure 7C). This process tends to linearize the DNA and facilitate capture in the unfolded state. This is because the polymer stretches against tensile forces before moving through the sensing pores. In this case, the filter membrane is optimized by having a very high porosity such that the average distance between the pores is shorter than the height of the gap between the membranes, and the nanofilter pores are not necessarily longer than the sustained length of the polymer. Even if it is not small, folding can be suppressed.

このシナリオでは、折り畳みを抑制するにはx<<L(例えば、x<L/5)が必要であるため、ポリマーは2つのナノフィルター細孔を貫通する可能性が非常に高く、h>L/2が必要であるため、ポリマーは両端が同時に検知細孔に入るほど長くはない。繰り返すが、Yは、可撓性のフィルター膜が検知膜に接触するのを防ぐことができる程度に小さくなければならない点でのみ制約される。例えば、1000bpのdsDNA(340nm)の折り畳みを抑制するには、x<68nmおよびh>170nmが必要であろう。使用するナノフィルター特性(厚さ50nm)に対して、Y=1000nmも同様に機能するであろう。上述したように、他の寸法を制限することができる。 In this scenario, the polymer is very likely to penetrate the two nanofilter pores because h<<L because x<<L (eg, x<L/5) is required to suppress folding. Since /2 is required, the polymer is not long enough that both ends enter the sensing pore at the same time. Again, Y is only constrained in that it must be small enough to prevent the flexible filter membrane from contacting the sensing membrane. For example, x<68 nm and h>170 nm would be required to suppress the folding of 1000 bp dsDNA (340 nm). For the nanofilter properties used (thickness 50 nm), Y=1000 nm would work as well. As mentioned above, other dimensions can be limited.

標的ポリマーの移動を制御する別の方法に、検知構造体の検知膜とフィルター膜との間に形成された空洞への出入りがある。検知構造体に電位を加えることにより、標的ポリマーを空洞に押し込むことができる。例えば、DNAが検知細孔側から捕捉されて膜間の隙間に引き込まれるようにナノデバイス40を逆に動作させると、エントロピートラップとして機能する。ナノフィルターと検知膜との間の隙間ではDNAに加わる力が小さいため、DNAは、ナノフィルターが適所に配置されていない場合よりも長くそこにトラップされやすい。従って、標的ポリマーが空洞にトラップされる。このトラップ時間を最大にするには、膜間の隙間hを少なくとも検知細孔の捕捉半径と同じ大きな隙間にすることが重要である(通常100〜1000ナノメートル台)。これによって、ナノフィルターでの電圧降下が拡散をなくすには不十分になり、トラップ時間が非常に長くなるはずである。捕捉半径を正確に推定するのは困難であるが、通常は100〜1000nm台であるため、dsDNAでの要件はh>1000nmおよびd<30nmであると言える。その後、検知構造体に加える電位を反転させることにより、標的ポリマーが空洞から排出される。このデバイスの違いは、隙間におさまれば、どのような長さのポリマーであっても動作できることである。 Another way to control the migration of the target polymer is to enter and exit the cavity formed between the sensing membrane and the filter membrane of the sensing structure. By applying an electric potential to the sensing structure, the target polymer can be forced into the cavity. For example, when the nanodevice 40 is reversely operated so that DNA is captured from the detection pore side and drawn into the gap between the membranes, it functions as an entropy trap. Due to the small force exerted on the DNA in the gap between the nanofilter and the sensing membrane, the DNA is more likely to be trapped therein longer than if the nanofilter was not in place. Therefore, the target polymer is trapped in the cavity. In order to maximize this trapping time, it is important to make the gap h between the membranes at least as large as the capture radius of the detection pores (usually in the order of 100 to 1000 nanometers). This would cause the voltage drop across the nanofilter to be insufficient to eliminate the diffusion and the trap time would be very long. Although it is difficult to accurately estimate the capture radius, it is usually in the range of 100 to 1000 nm, so that it can be said that the requirements for dsDNA are h>1000 nm and d<30 nm. The target polymer is then ejected from the cavity by reversing the potential applied to the sensing structure. The difference with this device is that it can work with any length of polymer that fits in the gap.

トラップ時間を最大にするための別の調整パラメーターは、非常に小さなナノフィルター細孔(例えば、<30nm)を使用することであり、これによって、移動に対するエントロピー障壁が大きくなる。多孔度を高める方法でも、ナノフィルターでの電場が低下し、それによって脱出がより困難になる。通常、ナノフィルター細孔の大きさと多孔度との間には相互作用があり、トラップ時間を最大にするために、これらのパラメーターを一緒に調整する必要がある。トラップの用途で最も重要なパラメーターは、ナノフィルター膜の活性領域の電気抵抗と検知細孔の電気抵抗との比である。エントロピートラップ用途の場合、この値を極めて小さくしておく必要がある。例えば、検知膜の電気抵抗に対するフィルター膜の電気抵抗の比は、0.01未満であるのが好ましい。 Another tuning parameter to maximize the trapping time is to use very small nanofilter pores (eg <30 nm), which increases the entropy barrier to migration. The method of increasing porosity also reduces the electric field at the nanofilter, which makes escape more difficult. There is usually an interaction between nanofilter pore size and porosity, and these parameters need to be tuned together to maximize trapping time. The most important parameter for trap applications is the ratio of the electrical resistance of the active area of the nanofilter membrane to the electrical resistance of the sensing pores. For entropy trap applications, this value should be kept extremely small. For example, the ratio of the electrical resistance of the filter membrane to the electrical resistance of the sensing membrane is preferably less than 0.01.

図14に、エントロピートラップとしてのこれらのデバイスの動作に関する原理データの証明を示す。この図は、トラップされる分子のローディングとその後の回収を示している。ナノケージには、ナノスケールリアクターとしての用途があろう。この用途では、検知細孔を介してトラップにDNAがロードされ、DNAはそこで、ナノフィルターを通って膜間の空間内まで自由に拡散できる程度に小さく、システムのナノフィルター側に存在するいくつかの小分子と相互作用する。その後、電圧を逆にして反応生成物を取り戻し、研究することができる。 FIG. 14 shows proof of principle data regarding the operation of these devices as entropy traps. This figure shows the loading of trapped molecules and their subsequent recovery. The nanocage may have applications as a nanoscale reactor. In this application, DNA is loaded into the trap through the sensing pores, where it is small enough to freely diffuse through the nanofilter into the space between the membranes and some of the DNA present on the nanofilter side of the system. Interact with small molecules of. The voltage can then be reversed to retrieve the reaction products and study.

別の可能な用途として、隙間内を局所的に高濃度にするために低濃度サンプルを高電圧で膜間の隙間に捕捉した上で、より詳細な研究のために、電圧を反転して下げ、低電圧で再捕捉するコンセントレータがある。 Another possible application is to capture a low concentration sample in the intermembrane gap at high voltage to locally increase the concentration in the gap, then reverse and lower the voltage for more detailed studies. , There is a concentrator that recaptures at low voltage.

フィルター膜は通常、フィルターとして機能する。これらのナノフィルターは、球状の分子に対して非常にはっきりとサイズ排除ができる一方で、自由溶液サイズがナノフィルター細孔よりも大きい場合でも、線形ポリマーを通過させる。これは、検知細孔を詰まらせる多種多様な生体分子を含有する実世界のサンプル(血液など)をクリーンアップするためのフィルターとして使用できる。着目する標的のみを通過させつつ、全てのバックグラウンド分子を除外するために、ナノフィルター細孔の大きさを調整することができる。ここで必要なのは、ナノフィルター細孔が、フィルター処理が必要な最小粒子(d<f)を排除できるほどに十分に小さく、研究対象となる標的ポリマーは短いものから中程度の長さのものであるという点であって、fはフィルター処理が必要な最小粒子の直径である。したがって、ナノポアフィルターの寸法は、用途とサンプル内の予想される分子の大きさによって異なる。 The filter membrane usually functions as a filter. These nanofilters allow very clear size exclusion for spherical molecules, while allowing linear polymers to pass even when the free solution size is larger than the nanofilter pores. It can be used as a filter to clean up real world samples (such as blood) containing a wide variety of biomolecules that clog the sensing pores. The size of the nanofilter pores can be adjusted to exclude all background molecules while passing only the target of interest. What is needed here is that the nanofilter pores are small enough to exclude the smallest particles (d<f) that need to be filtered and the target polymer studied is of short to medium length. In some respects, f is the diameter of the smallest particle that needs to be filtered. Therefore, the size of the nanopore filter depends on the application and the expected molecular size in the sample.

ナノフィルターと検知細孔との間の隙間にある流体は必然的に静止し、流れがないため、ナノフィルター膜の上に横流が存在する場合でも、ナノフィルターを使用して検知細孔と接触する流体の剪断のない領域を作成できる。検知細孔の位置で剪断流が発生しないため、これによって検知細孔によるポリマーの高い捕捉率が可能になるとともに、新たな分析物を細孔の近くに移動しやすくする目的で、ナノフィルター上で流れを利用することも可能になる。 The fluid in the gap between the nanofilter and the sensing pores is necessarily stationary and there is no flow, so the nanofilter is used to contact the sensing pores even in the presence of cross flow above the nanofilter membrane. It is possible to create a shear-free region of the fluid to be used. Since no shear flow occurs at the location of the sensing pores, this allows for a high capture rate of the polymer by the sensing pores and on the nanofilter for the purpose of facilitating migration of new analytes near the pores. You can also use the flow in.

上述した実施形態の説明は、例示および説明の目的で提供された。網羅的であること、または開示を制限することは意図されていない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、通常はその特定の実施形態に限定されないが、適用可能な場合には入れ替え可能であり、具体的に図示または説明がなくても選択された実施形態で使用できる。同じことが多くの点で異なる場合もある。そのような変形は、本開示からの逸脱とみなされるべきではなく、そのようなすべての改変も本開示の範囲内に含まれることが意図されている。 The above description of the embodiments has been provided for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the disclosure. The individual elements or features of a particular embodiment are usually not limited to that particular embodiment, but are interchangeable where applicable and selected embodiments without specific illustration or description. Can be used in. The same can be different in many ways. Such variations should not be considered as departures from the present disclosure, and all such modifications are intended to be included within the scope of the present disclosure.

本明細書で使用する用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書で使用する場合、単数形は、文脈から複数形を含まないことが明らかに示されていない限り、複数形も含むことを意図している場合がある。「comprises」、「comprising」、「including」、「having」は包括的であるため、表記の特徴、整数、工程、動作、要素および/または構成要素の存在を示すが、1つ以上の他の特徴、整数、工程、動作、要素、構成要素および/またはそれらの群の存在または追加を排除しない。本明細書に記載の方法の工程、プロセスおよび動作は、特に性能の順序として特定されない限り、言及または図示された特定の順序で性能が発揮される必要があると解釈されるべきではない。また、追加の工程または代わりの工程を使用できることを理解されたい。 The terminology used herein is for the purpose of describing particular exemplary embodiments only and is not intended to be limiting. As used herein, the singular may be intended to include the plural as well, unless the context clearly indicates otherwise. "Comprises," "comprising," "inclusion," "having" are inclusive, thus indicating the presence of a feature, an integer, a step, an operation, an element and/or a component, but one or more other It does not exclude the presence or addition of features, integers, steps, acts, elements, components and/or groups thereof. The steps, processes and acts of the methods described herein should not be construed as requiring performance in the particular order referred to or illustrated, unless otherwise specified as the order of performance. It should also be appreciated that additional or alternative steps may be used.

要素または層が別の要素または層「の上にある」、「に嵌まっている」、「と接続されている」、「の上に配置されている」または「と連結されている」という場合、直接的に他の要素または層の上にある、他の要素または層に嵌まっている、他の要素または層と接続されている、他の要素または層の上に配置されている、他の要素または層と連結されていてもよいし、介在する要素または層が存在してもよい。対照的に、要素または層が別の要素または層「のすぐ上にある」、「に直接嵌まっている」、「と直接接続されている」または「と直接連結されている」という場合、介在する要素または層は存在しない場合がある。要素間の関係を説明するために用いた他の単語も、同様に解釈する必要がある(例:「間に」と「直接間に」、「隣接する」と「直接隣接する」など)。本明細書で使用する場合、「および/または」という用語は、そこで列挙された1つ以上の項目のありとあらゆる組み合わせを含む。 An element or layer is "above", "fits into," "connected with," "disposed over," or "coupled with" another element or layer. If directly on another element or layer, fitted on another element or layer, connected to another element or layer, arranged on another element or layer, It may be linked to other elements or layers or there may be intervening elements or layers. In contrast, when an element or layer is "immediately above", "directly fitted in", "directly connected to" or "directly connected to" another element or layer, There may be no intervening elements or layers. Other words used to describe relationships between elements need to be interpreted similarly (eg, "between" and "directly between", "adjacent" and "directly adjacent", etc.). As used herein, the term "and/or" includes any and all combinations of one or more of the items listed therein.

本明細書では、第1、第2、第3などの用語を使用して様々な要素、構成要素、領域、層および/またはセクションを説明する場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層および/またはセクションは、これらの用語に限定されるべきではない。これらの用語は、1つの要素、構成要素、領域、層またはセクションを別の領域、層またはセクションから区別するためにのみ使用できるものである。本明細書で使用する「第1」、「第2」などの用語および他の数値用語は、文脈により明確に示されない限り、順序または順番を意味しない。したがって、以下で説明する第1の要素、構成要素、領域、層またはセクションは、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第2の要素、構成要素、領域、層またはセクションと呼ぶことができる。 In this specification, the various terms such as first, second, third, etc. may be used to describe various elements, components, regions, layers and/or sections. , Layers and/or sections should not be limited to these terms. These terms are only used to distinguish one element, component, region, layer or section from another region, layer or section. As used herein, terms such as "first", "second", and other numerical terms do not imply order or order, unless context clearly indicates otherwise. Accordingly, a first element, component, region, layer or section described below is referred to as a second element, component, region, layer or section without departing from the teachings of the exemplary embodiments. You can

「内側」、「外側」、「真下」、「下」、「より下」、「上」、「より上」などの空間的に相対的な用語は、本明細書では、説明を簡単にするために、図示したような1つの要素または特徴と他の要素または特徴との関係を説明するのに使用される場合がある。空間的に相対的な用語は、図示した向きに加えて、使用中または操作中のデバイスの別の向きを包含することを意図している場合がある。例えば、図のデバイスを裏返すと、他の要素または特徴の「下」または「真下」にある要素は、他の要素または特徴の「上」に配置される。したがって、「下」という用語の例には、上と下の両方の向きが含まれる。デバイスは、別の方法で方向付けられ(90度または他の方向で)、それに応じて本明細書で使用される空間的に相対的な記述子が解釈されてもよい。
Spatial relative terms such as "inside", "outside", "underneath", "below", "below", "above", "above" are used herein for ease of explanation. Thus, it may be used to describe the relationship between one element or feature as shown and another element or feature. Spatial relative terminology may be intended to encompass other orientations of the device during use or operation in addition to the orientation shown. For example, when the illustrated device is flipped over, elements that are "below" or "just below" other elements or features are placed "above" other elements or features. Thus, examples of the term "bottom" include both top and bottom orientations. The device may be otherwise oriented (90 degrees or otherwise) and the spatially relative descriptors used herein interpreted accordingly.

Claims (21)

ナノポアを通る標的分子の移動を制御するためのシステムであって、
基材上に設けられ、中に1つのナノポアを有する検知膜と、
前記検知膜の露出した上面に配置された1つ以上のスペーサと、
前記1つ以上のスペーサを覆うようにして、前記検知膜の前記上面に配置されたフィルター膜と、
流体を収容するように構成されるとともに、流体チャネルによって流体が行き来できる状態で互いに連結された2つのチャンバと、
2つの電極と、
を備え、
前記検知膜と、前記1つ以上のスペーサと、前記フィルター膜とが検知構造体を構成し、
前記フィルター膜には、その中に複数のナノポアが形成され、
前記検知構造体は、流体チャネルに挿入されることで、前記検知構造体に形成された前記ナノポアを通る以外に前記流体が前記2つのチャンバ間を通過できないようにし、
前記2つの電極は、2つのチャンバのそれぞれに1つずつ配置されるように、一つの電圧源に電気的に接続されるとともに、前記検知構造体に電位を加えるように構成された、
システム。
A system for controlling the movement of a target molecule through a nanopore, comprising:
A sensing film provided on the substrate and having one nanopore therein;
One or more spacers disposed on the exposed upper surface of the sensing membrane;
A filter film disposed on the upper surface of the detection film so as to cover the one or more spacers;
Two chambers that are configured to contain a fluid and that are fluidly connected to each other by a fluid channel,
Two electrodes,
Equipped with
The sensing membrane, the one or more spacers, and the filter membrane constitute a sensing structure,
The filter membrane has a plurality of nanopores formed therein,
The sensing structure is inserted into a fluid channel to prevent the fluid from passing between the two chambers except through the nanopores formed in the sensing structure,
The two electrodes are electrically connected to a voltage source and are configured to apply a potential to the sensing structure, such that one of the two electrodes is disposed in each of the two chambers.
system.
前記フィルター膜は、前記標的分子の輪郭長とほぼ同じ距離だけ前記検知膜から離れている、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the filter membrane is separated from the sensing membrane by a distance that is about the same as the contour length of the target molecule. 前記フィルター膜に形成された前記複数のナノポアにおけるナノポアの平均サイズは、前記標的分子の前記回転半径の2倍未満である、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the average size of the nanopores in the plurality of nanopores formed in the filter membrane is less than twice the radius of gyration of the target molecule. 前記フィルター膜は、電気抵抗が前記検知膜の電気抵抗よりも低くなるように構成されている、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the filter membrane is configured to have an electrical resistance lower than that of the sensing membrane. フィルター膜と前記検知膜との間には、前記標的分子が自由溶液中でコイル状をなしているときに、体積が前記標的分子の体積の1000倍未満になるような空間が存在する、請求項1に記載のシステム。 A space exists between the filter membrane and the detection membrane such that the volume of the target molecule is less than 1000 times the volume of the target molecule when the target molecule is coiled in a free solution. The system according to Item 1. 前記検知膜は誘電材料上に構成されている、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the sensing film is constructed on a dielectric material. 前記検知膜は二次元材料上に構成されている、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the sensing membrane is constructed on a two-dimensional material. 前記1つ以上のスペーサは、ある距離だけ前記検知膜から前記フィルター膜を離すように構成され、前記距離が前記標的分子の輪郭長より短くなるような大きさである、請求項1に記載のシステム。 2. The one or more spacers of claim 1, wherein the one or more spacers are configured to separate the filter membrane from the sensing membrane by a distance, the distance being less than the contour length of the target molecule. system. 前記複数のナノポアは、前記フィルター膜と前記検知膜との間の距離の2倍に任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離を加えた値が前記標的分子の輪郭長よりも大きくなるような任意の2つのナノポア間の前記平均最近隣距離で、前記フィルター膜に形成されている、請求項8に記載のシステム。 The plurality of nanopores has a value such that a value obtained by adding twice the distance between the filter membrane and the sensing membrane and the average nearest neighbor distance between any two nanopores is larger than the contour length of the target molecule. 9. The system of claim 8, formed in the filter membrane at the average nearest neighbor distance between any two nanopores. 前記複数のナノポアは、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、標的分子が自由溶液中にあるときの前記標的分子の回転半径未満になるように、前記フィルター膜に形成されている、請求項1に記載のシステム。 The plurality of nanopores are formed in the filter membrane such that the average closest distance between any two nanopores is less than the radius of gyration of the target molecule when the target molecule is in free solution. The system of claim 1. 前記フィルター膜は、電気抵抗を示すように構成され、前記検知膜は、前記フィルター膜の前記電気抵抗を前記検知膜の電気抵抗で割った商が0.01未満になるような電気抵抗を示すように構成されている、請求項1に記載のシステム。 The filter membrane is configured to exhibit electrical resistance, and the sensing membrane exhibits electrical resistance such that the quotient of the electrical resistance of the filter membrane divided by the electrical resistance of the sensing film is less than 0.01. The system of claim 1, wherein the system is configured to: ナノポアを通る標的分子の移動を制御するための検知構造体であって、
1つのナノポアが形成された検知膜と、
前記検知膜の表面に配置された1つ以上のスペーサと、
前記1つ以上のスペーサを覆うようにして、前記検知膜の前記表面に配置されたフィルター膜と、を備え、
前記フィルター膜には複数のナノポアが形成され、
前記1つ以上のスペーサは、前記フィルター膜が、前記標的分子の輪郭長とほぼ同じ距離だけ前記検知膜から離れるような大きさである、検知構造体。
A sensing structure for controlling the movement of a target molecule through a nanopore, comprising:
A sensing film with one nanopore formed,
One or more spacers disposed on the surface of the sensing membrane;
A filter film disposed on the surface of the detection film so as to cover the one or more spacers,
A plurality of nanopores are formed on the filter membrane,
The sensing structure wherein the one or more spacers are sized such that the filter membrane is separated from the sensing membrane by a distance that is approximately the same as the contour length of the target molecule.
前記フィルター膜は、電気抵抗が前記検知膜の電気抵抗よりも低くなるように構成されている、請求項12に記載の検知構造体。 The sensing structure according to claim 12, wherein the filter film is configured to have an electric resistance lower than that of the detection film. フィルター膜と前記検知膜との間には、前記標的分子が自由溶液中でコイル状をなしているときに、体積が前記標的分子の体積の1000倍未満になるような空間が存在する、請求項12に記載の検知構造体 A space exists between the filter membrane and the detection membrane such that the volume of the target molecule is less than 1000 times the volume of the target molecule when the target molecule is coiled in a free solution. Item 12. The sensing structure according to item 12. 前記複数のナノポアは、前記フィルター膜と前記検知膜との間の距離の2倍に任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離を加えた値が前記標的分子の輪郭長よりも大きくなるような任意の2つのナノポア間の前記平均最近隣距離で、前記フィルター膜に形成されている、請求項12に記載の検知構造体 The plurality of nanopores has a value such that a value obtained by adding twice the distance between the filter membrane and the sensing membrane and the average nearest neighbor distance between any two nanopores is larger than the contour length of the target molecule. The sensing structure according to claim 12, wherein the sensing structure is formed in the filter membrane at the average nearest distance between any two nanopores. 前記複数のナノポアは、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、標的分子が自由溶液中にあるときの前記標的分子の回転半径未満になるように、前記フィルター膜に形成されている、請求項12に記載の検知構造体 The plurality of nanopores are formed in the filter membrane such that the average closest distance between any two nanopores is less than the radius of gyration of the target molecule when the target molecule is in free solution. The sensing structure according to claim 12. 前記フィルター膜は、電気抵抗を有するように構成され、前記検知膜は、前記フィルター膜の前記電気抵抗を前記検知膜の電気抵抗で割った商が0.01未満になるような電気抵抗を有するように構成されている、請求項12に記載の検知構造体 The filter film is configured to have an electrical resistance, and the sensing film has an electrical resistance such that the quotient of the electrical resistance of the filter film divided by the electrical resistance of the sensing film is less than 0.01. 13. The sensing structure of claim 12, configured as 1つのナノポアが形成された検知膜を通る標的ポリマーの移動を制御するための方法であって、
複数のナノポアが形成されたフィルター膜が1つ以上のスペーサによって検知膜から離れた状態で前記検知膜上に配置された検知構造体を流体チャネル内に配置し、
前記検知構造体に電位を加えることによって前記検知構造体の前記ナノポアを介して標的ポリマーを駆動し、
前記検知膜の前記ナノポアを通る前記標的ポリマーの通過時間を測定することを含み、
前記検知膜と前記フィルター膜とを隔てる距離は、前記標的分子の輪郭長よりも短い、方法。
A method for controlling the migration of a target polymer through a sensing membrane formed with one nanopore, comprising:
A sensing structure disposed on the sensing membrane is disposed in the fluid channel in a state where the filter membrane on which a plurality of nanopores are formed is separated from the sensing membrane by one or more spacers,
Driving a target polymer through the nanopores of the sensing structure by applying an electrical potential to the sensing structure,
Measuring the transit time of the target polymer through the nanopores of the sensing membrane,
The method wherein the distance separating the sensing membrane and the filter membrane is shorter than the contour length of the target molecule.
前記フィルター膜の複数のナノポアは、前記フィルター膜と前記検知膜との間の距離の2倍に2つのナノポア間の平均最近隣距離を加えた値が、前記標的分子の輪郭長よりも大きくなるような2つのナノポア間の前記平均最近隣距離で形成されている、請求項18に記載の方法。 For the plurality of nanopores of the filter membrane, the value obtained by adding the average nearest neighbor distance between the two nanopores to twice the distance between the filter membrane and the detection membrane becomes larger than the contour length of the target molecule. 19. The method of claim 18, wherein the average nearest neighbor distance between two such nanopores is formed. 1つのナノポアが形成された検知膜を通る標的ポリマーの移動を制御するための方法であって、
複数のナノポアが形成されたフィルター膜が1つ以上のスペーサによって検知膜から離れた状態で前記検知膜上に配置された検知構造体を流体チャネル内に配置し、
前記検知構造体に電位を加えることによって前記検知構造体の前記ナノポアを介して標的ポリマーを駆動し、
前記検知膜の前記ナノポアを通る前記標的ポリマーの通過時間を測定することを含み、
前記複数のナノポアは、任意の2つのナノポア間の平均最近隣距離が、標的分子が自由溶液中にあるときの前記標的分子の回転半径未満になるように、前記フィルター膜に形成されている、方法。
A method for controlling the migration of a target polymer through a sensing membrane formed with one nanopore, comprising:
A sensing structure disposed on the sensing membrane is disposed in the fluid channel in a state where the filter membrane on which a plurality of nanopores are formed is separated from the sensing membrane by one or more spacers,
Driving a target polymer through the nanopores of the sensing structure by applying an electrical potential to the sensing structure,
Measuring the transit time of the target polymer through the nanopores of the sensing membrane,
The plurality of nanopores are formed in the filter membrane such that the average closest distance between any two nanopores is less than the radius of gyration of the target molecule when the target molecule is in free solution. Method.
複数のナノポアを有するフィルター膜と、検知ナノポアが1つ形成された検知膜とを含む、ナノデバイスの検知構造体への標的ポリマーの移動を制御するための方法であって、
前記検知構造体に電位を加えることによって前記検知構造体の前記検知ナノポアを介して標的ポリマーを駆動して、前記フィルター膜と前記検知膜との間に形成された空洞に入れ、
前記空洞に前記標的ポリマーをトラップし、
前記検知構造体に加える前記電位を反転することによって前記検知構造体の前記空洞から前記標的ポリマーを排出することを含む
前記フィルター膜と前記検知膜とを隔てる距離が前記標的ポリマーの捕捉半径よりも大きい、方法。
A method for controlling the migration of a target polymer to a sensing structure of a nanodevice, comprising a filter membrane having a plurality of nanopores and a sensing membrane having one sensing nanopore formed therein.
Driving a target polymer through the sensing nanopores of the sensing structure by applying an electrical potential to the sensing structure into a cavity formed between the filter membrane and the sensing membrane,
Trapping the target polymer in the cavity,
Ejecting the target polymer from the cavity of the sensing structure by reversing the potential applied to the sensing structure, the distance separating the filter membrane and the sensing membrane is greater than the capture radius of the target polymer. Great, way.
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